Климатическая система Земли представляет собой сложную систему с пятью взаимодействующими компонентами: атмосферой (воздухом), гидросферой (водой), криосферой (льдом и вечной мерзлотой), литосферой (верхним каменистым слоем Земли) и биосферой (живыми существами). [1] : 1451 Климат является статистической характеристикой климатической системы. [1] : 1450 Он представляет собой среднюю погоду , как правило, за период в 30 лет, и определяется комбинацией процессов, таких как океанические течения и ветровые режимы. [2] [3] Циркуляция в атмосфере и океанах переносит тепло из тропических регионов в регионы, которые получают меньше энергии от Солнца . Солнечная радиация является основной движущей силой этой циркуляции. Круговорот воды также перемещает энергию по всей климатической системе. Кроме того, некоторые химические элементы постоянно перемещаются между компонентами климатической системы. Двумя примерами этих биохимических циклов являются циклы углерода и азота .
Климатическая система может меняться из-за внутренней изменчивости и внешних воздействий . Эти внешние воздействия могут быть естественными, такими как изменения интенсивности солнечного излучения и извержения вулканов, или вызванными людьми. Накопление парниковых газов в атмосфере, в основном выбрасываемых людьми, сжигающими ископаемое топливо , вызывает изменение климата . Человеческая деятельность также высвобождает охлаждающие аэрозоли , но их чистый эффект намного меньше, чем у парниковых газов. [1] : 1451 Изменения могут быть усилены процессами обратной связи в различных компонентах климатической системы.
Атмосфера окутывает Землю и простирается на сотни километров от поверхности. Она состоит в основном из инертного азота ( 78%), кислорода (21%) и аргона (0,9%). [4] Некоторые следовые газы в атмосфере, такие как водяной пар и углекислый газ , являются наиболее важными для работы климатической системы, поскольку они являются парниковыми газами , которые позволяют видимому свету Солнца проникать на поверхность, но блокируют часть инфракрасного излучения, которое испускает поверхность Земли, чтобы уравновесить излучение Солнца. Это вызывает повышение температуры поверхности. [5]
Гидрологический цикл — это движение воды через климатическую систему. Гидрологический цикл не только определяет закономерности выпадения осадков , но и влияет на движение энергии через климатическую систему. [6]
Гидросфера содержит всю жидкую воду на Земле, большая часть которой содержится в мировых океанах. [7] Океан покрывает 71% поверхности Земли, средняя глубина около 4 километров (2,5 мили), [8] а теплосодержание океана намного больше, чем тепло, удерживаемое атмосферой. [9] [10] Он содержит морскую воду с содержанием соли около 3,5% в среднем, но это варьируется в зависимости от пространства. [8] Солоноватая вода находится в эстуариях и некоторых озерах, а большая часть пресной воды , 2,5% всей воды, удерживается во льду и снеге. [11]
Криосфера содержит все части климатической системы, где вода находится в твердом состоянии. Это включает в себя морской лед , ледяные щиты , вечную мерзлоту и снежный покров . Поскольку в Северном полушарии больше суши по сравнению с Южным , большая часть этого полушария покрыта снегом. [12] В обоих полушариях примерно одинаковое количество морского льда. Большая часть замерзшей воды содержится в ледяных щитах Гренландии и Антарктиды , средняя высота которых составляет около 2 километров (1,2 мили). Эти ледяные щиты медленно текут к своим краям. [13]
Земная кора , в частности горы и долины, формируют глобальные ветровые модели: обширные горные хребты образуют барьер для ветров и влияют на то, где и сколько выпадает дождей. [14] [15] Земля, расположенная ближе к открытому океану, имеет более умеренный климат, чем земля, расположенная дальше от океана. [16] Для целей моделирования климата сушу часто считают статичной, поскольку она меняется очень медленно по сравнению с другими элементами, составляющими климатическую систему. [17] Положение континентов определяет геометрию океанов и, следовательно, влияет на закономерности циркуляции океана. Расположение морей важно для контроля переноса тепла и влаги по всему земному шару и, следовательно, для определения глобального климата. [18]
Наконец, биосфера также взаимодействует с остальной частью климатической системы. Растительность часто темнее или светлее почвы под ней, так что больше или меньше солнечного тепла задерживается в областях с растительностью. [19] Растительность хорошо удерживает воду, которая затем поглощается ее корнями. Без растительности эта вода стекала бы в ближайшие реки или другие водоемы. Вода, поглощаемая растениями, вместо этого испаряется, внося вклад в гидрологический цикл. [20] Осадки и температура влияют на распределение различных зон растительности. [21] Усвоение углерода из морской воды ростом мелкого фитопланктона почти такое же, как и у наземных растений из атмосферы. [22] Хотя технически люди являются частью биосферы , их часто рассматривают как отдельные компоненты климатической системы Земли, антропосферы , из-за большого воздействия человека на планету. [19]
Климатическая система получает энергию от Солнца и в гораздо меньшей степени от ядра Земли, а также приливную энергию от Луны. Земля отдает энергию в космическое пространство в двух формах: она напрямую отражает часть излучения Солнца и испускает инфракрасное излучение как излучение черного тела . Баланс входящей и исходящей энергии, а также прохождение энергии через климатическую систему определяют энергетический бюджет Земли . Когда общая сумма входящей энергии больше исходящей энергии, энергетический дисбаланс Земли положительный, и климатическая система нагревается. Если больше энергии уходит, энергетический дисбаланс отрицательный, и Земля испытывает охлаждение. [24]
Больше энергии достигает тропиков, чем полярных регионов, и последующая разница температур управляет глобальной циркуляцией атмосферы и океанов . [ 25] Воздух поднимается, когда нагревается, течет к полюсам и снова опускается, когда охлаждается, возвращаясь к экватору. [26] Из-за сохранения углового момента вращение Земли отклоняет воздух вправо в Северном полушарии и влево в Южном полушарии, таким образом образуя отдельные атмосферные ячейки. [27] Муссоны , сезонные изменения ветра и осадков, которые происходят в основном в тропиках, образуются из-за того, что массы суши нагреваются легче, чем океан. Разница температур вызывает разницу давления между сушей и океаном, что приводит к устойчивому ветру. [28]
Вода океана, которая содержит больше соли, имеет более высокую плотность , и различия в плотности играют важную роль в циркуляции океана . Термохалинная циркуляция переносит тепло из тропиков в полярные регионы. [29] Циркуляция океана также обусловлена взаимодействием с ветром. Солевой компонент также влияет на температуру точки замерзания . [30] Вертикальные движения могут выносить более холодную воду на поверхность в процессе, называемом апвеллингом , который охлаждает воздух над ним. [31]
Гидрологический цикл или круговорот воды описывает, как она постоянно перемещается между поверхностью Земли и атмосферой. [32] Растения испаряют , а солнечный свет испаряет воду из океанов и других водоемов, оставляя после себя соль и другие минералы. Испарившаяся пресная вода позже выпадает обратно на поверхность. [33] Осадки и испарение неравномерно распределены по всему земному шару, в некоторых регионах, таких как тропики, осадков выпадает больше, чем испарений, а в других — больше испарений, чем осадков. [34] Испарение воды требует значительных количеств энергии, тогда как при конденсации выделяется много тепла. Это скрытое тепло является основным источником энергии в атмосфере. [35]
Химические элементы, жизненно важные для жизни, постоянно циркулируют через различные компоненты климатической системы. Углеродный цикл напрямую важен для климата, поскольку он определяет концентрации двух важных парниковых газов в атмосфере: CO2 и метана . [ 36] В быстрой части углеродного цикла растения поглощают углекислый газ из атмосферы с помощью фотосинтеза ; позже он повторно выделяется дыханием живых существ. [37] В рамках медленного углеродного цикла вулканы выделяют CO2 путем дегазации, выделяя углекислый газ из земной коры и мантии. [38] Поскольку CO2 в атмосфере делает дождь немного кислым , этот дождь может медленно растворять некоторые породы, процесс, известный как выветривание . Минералы, которые высвобождаются таким образом, транспортируются в море, используются живыми существами, останки которых могут образовывать осадочные породы , возвращая углерод в литосферу. [39]
Азотный цикл описывает поток активного азота. Поскольку атмосферный азот инертен, микроорганизмы сначала должны преобразовать его в активное азотное соединение в процессе, называемом фиксацией азота , прежде чем он может быть использован в качестве строительного блока в биосфере. [40] Человеческая деятельность играет важную роль как в углеродном, так и в азотном циклах: сжигание ископаемого топлива вытеснило углерод из литосферы в атмосферу, а использование удобрений значительно увеличило количество доступного фиксированного азота. [41]
Климат постоянно меняется в масштабах времени, которые варьируются от сезонов до времени существования Земли. [42] Изменения, вызванные собственными компонентами и динамикой системы, называются внутренней изменчивостью климата . Система также может испытывать внешнее воздействие явлений за пределами системы (например, изменение орбиты Земли). [43] Более длительные изменения, обычно определяемые как изменения, которые сохраняются в течение как минимум 30 лет, называются изменениями климата , [44] хотя эта фраза обычно относится к текущему глобальному изменению климата . [45] Когда климат меняется, эффекты могут накладываться друг на друга, каскадируя через другие части системы в серии климатических обратных связей (например, изменения альбедо ), производя множество различных эффектов (например, повышение уровня моря ). [46]
Компоненты климатической системы постоянно меняются, даже без внешних толчков (внешнего воздействия). Одним из примеров в атмосфере является Североатлантическое колебание (NAO), которое действует как качели атмосферного давления. Португальские Азорские острова обычно имеют высокое давление, тогда как над Исландией часто бывает более низкое давление . [48] Разница в давлении колеблется, и это влияет на погодные условия по всему североатлантическому региону вплоть до центральной Евразии . [49] Например, погода в Гренландии и Канаде холодная и сухая во время положительного NAO. [50] Различные фазы североатлантического колебания могут поддерживаться в течение нескольких десятилетий. [51]
Океан и атмосфера также могут работать вместе, чтобы спонтанно генерировать внутреннюю изменчивость климата, которая может сохраняться в течение многих лет или десятилетий. [52] [53] Примерами такого типа изменчивости являются Эль-Ниньо-Южное колебание , Тихоокеанское десятилетнее колебание и Атлантическое многодесятилетнее колебание . Эти изменения могут влиять на глобальную среднюю температуру поверхности путем перераспределения тепла между глубоким океаном и атмосферой; [54] [55] но также путем изменения распределения облаков, водяного пара или морского льда, что может повлиять на общий энергетический бюджет Земли. [56] [57]
Океанические аспекты этих колебаний могут генерировать изменчивость в масштабах веков из-за того, что океан имеет в сотни раз большую массу, чем атмосфера , и, следовательно, очень высокую тепловую инерцию. Например, изменения в океанических процессах, такие как термохалинная циркуляция, играют ключевую роль в перераспределении тепла в мировых океанах. Понимание внутренней изменчивости помогло ученым приписать недавнее изменение климата парниковым газам. [58]
В длительных временных масштабах климат определяется в основном тем, сколько энергии находится в системе и куда она направляется. Когда энергетический бюджет Земли изменяется, климат следует за ним. Изменение энергетического бюджета называется воздействием. Когда изменение вызвано чем-то за пределами пяти компонентов климатической системы, оно называется внешним воздействием . [59] Например, вулканы являются результатом глубоких процессов внутри Земли, которые не считаются частью климатической системы. Действия человека, внепланетные изменения, такие как солнечные колебания и прибывающие астероиды, также являются внешними по отношению к пяти компонентам климатической системы. [1] : 1454
Основным значением для количественной оценки и сравнения климатических воздействий является радиационное воздействие .
Солнце является основным источником энергии, поступающей на Землю, и управляет атмосферной циркуляцией. [ 60] Количество энергии, поступающей от Солнца, меняется в более коротких временных масштабах, включая 11-летний солнечный цикл [61] и более длительные временные масштабы. [62] Хотя солнечный цикл слишком мал, чтобы напрямую нагревать и охлаждать поверхность Земли, он напрямую влияет на более высокий слой атмосферы, стратосферу , что может оказывать влияние на атмосферу вблизи поверхности. [63]
Небольшие изменения в движении Земли могут вызвать большие изменения в сезонном распределении солнечного света, достигающего поверхности Земли, и в том, как он распределяется по всему земному шару, хотя и не в глобальном и годовом среднем солнечном свете. Три типа кинематических изменений — это изменения эксцентриситета Земли , изменения угла наклона оси вращения Земли и прецессия земной оси. Вместе они создают циклы Миланковича , которые влияют на климат и примечательны своей корреляцией с ледниковыми и межледниковыми периодами . [64]
Парниковые газы удерживают тепло в нижней части атмосферы, поглощая длинноволновое излучение. В прошлом Земли многие процессы способствовали изменению концентрации парниковых газов. В настоящее время выбросы человека являются причиной увеличения концентрации некоторых парниковых газов, таких как CO 2 , метан и N 2 O . [65] Доминирующим фактором парникового эффекта является водяной пар (~50%), облака (~25%) и CO 2 (~20%) также играют важную роль. Когда концентрации долгоживущих парниковых газов, таких как CO 2 , увеличиваются, температура и водяной пар увеличиваются. Соответственно, водяной пар и облака рассматриваются не как внешние воздействия, а как обратная связь. [66]
Выветривание карбонатов и силикатов удаляет углерод из атмосферы. [67]
Жидкие и твердые частицы в атмосфере, в совокупности называемые аэрозолями , оказывают различное воздействие на климат. Некоторые в первую очередь рассеивают солнечный свет, охлаждая планету, в то время как другие поглощают солнечный свет и нагревают атмосферу. [68] Косвенные воздействия включают тот факт, что аэрозоли могут действовать как ядра конденсации облаков , стимулируя образование облаков. [69] Естественные источники аэрозолей включают морские брызги , минеральную пыль , метеориты и вулканы . Тем не менее, люди также вносят свой вклад [68] , поскольку человеческая деятельность, такая как сжигание биомассы или ископаемого топлива, выбрасывает аэрозоли в атмосферу. Аэрозоли противодействуют некоторым из согревающих эффектов выбрасываемых парниковых газов, пока они не выпадут обратно на поверхность через несколько лет или меньше. [70]
Хотя вулканы технически являются частью литосферы, которая является частью климатической системы, вулканизм определяется как внешний воздействующий агент. [71] В среднем, за столетие происходит всего несколько вулканических извержений , которые влияют на климат Земли дольше года, выбрасывая тонны SO 2 в стратосферу . [72] [73] Диоксид серы химически преобразуется в аэрозоли, которые вызывают охлаждение, блокируя часть солнечного света на поверхности Земли. Небольшие извержения влияют на атмосферу лишь незначительно. [72]
Изменения в почвенно-растительном покрове, такие как изменение водного покрова (например, повышение уровня моря , высыхание озер и внезапные наводнения ) или вырубка лесов , особенно в результате использования земли человеком, могут повлиять на климат. Отражательная способность местности может измениться, в результате чего регион будет улавливать больше или меньше солнечного света. Кроме того, растительность взаимодействует с гидрологическим циклом, поэтому осадки также оказываются затронутыми. [74] Ландшафтные пожары выбрасывают парниковые газы в атмосферу и выделяют черный углерод , который затемняет снег, облегчая его таяние. [75] [76]
Различные элементы климатической системы реагируют на внешнее воздействие по-разному. Одним из важных различий между компонентами является скорость, с которой они реагируют на воздействие. Атмосфера обычно реагирует в течение нескольких часов или недель, в то время как глубокому океану и ледяным покровам требуются столетия или тысячелетия, чтобы достичь нового равновесия. [80]
Первоначальный ответ компонента на внешнее воздействие может быть ослаблен отрицательными обратными связями и усилен положительными обратными связями . Например, значительное уменьшение интенсивности солнечного излучения быстро приведет к снижению температуры на Земле, что затем позволит льду и снежному покрову расшириться. Дополнительный снег и лед имеют более высокое альбедо или отражательную способность и, следовательно, отражают больше солнечного излучения обратно в космос, прежде чем оно может быть поглощено климатической системой в целом; это, в свою очередь, заставляет Землю остывать еще больше. [81]
Медиа, связанные с системой климата на Wikimedia Commons